Le magmatisme en domaine océanique

Le magmatisme en
domaine océanique
Gaëlle Prouteau, ISTO
1
I - Le magmatisme des dorsales océaniques
2
La crête (ou l’axe) de la dorsale :
une zone active
volcanisme et
hydrothermalisme
tectonique
3
Deux modes extrêmes d’expansion de la lithosphère
océanique
Ecartement des plaques et apport
de matériel magmatique nouveau
Magmatisme dominant
Extension amagmatique de
la lithosphère pré-existante
Tectonique dominante
4
5
Comment connaît-on la structure de la croûte océanique et
du manteau supérieur sous-jacent ?
Ophiolites
Données sismiques (4 couches)
Forage (programme International IODP (International
Ocean Drilling Program)
Dragage des zones de fracture (Vema par ex)
6
• Les ophiolites, lambeaux de lithosphère océanique obduits
sur les continents…
L’ophiolite d’Oman
7
Moho sismique
correspond à la limite
entre gabbros et
péridotites mantelliques
Log schématique
des ophiolites d’Oman
8
• Tissu crustal continu, complexe filonien bien développé (> 1 km), couche gabbroïque de
plusieurs km d'épaisseur, reposant sur un manteau supérieur harzburgitique)
• Forages difficiles (504B - EPR- n'a pas atteint les gabbros).VOIR site 1256
9
L’ophiolite du Chenaillet
Ophicalcites
Plagiogranite
Serpentinites
Pillows
Filons de basalte dans un gabbro
10
Lagabrielle, 2003
Coupes théoriques
des ophiolites liguro-piémontaises
11
• Forages
Puits le plus profond : 2111m
(Site ODP 504B). 9
campagnes nécessaires pour
atteindre cette profondeur
Leg 206, Site1256
Première tête de forage utilisée lors de la campagne.
© 2003-2006 IODP-USIO
http://publications.iodp.org/preliminary_report/312/prel5.html#998480
12
13
Variation de la profondeur de la zone
de moindre vitesse des ondes
sismiques (LVZ) en fonction du taux
d’expansion océanique
Cette zone de ralentissement des
ondes sismiques est considérée
représenter la lentille de magma
située au toit de la CM.
Les courbes dérivées des modèles de Morgan et Chen (1993) sont extrapolées jusqu’à un taux d’expansion de 200 mm/an .
Profondeur de pénétration dans les puits 504B and 1256D indiquée par des lignes verticales (modifié d’après Purdy et al., 1992; Carbotte et al., 1997).
MAR = Mid-Atlantic Ridge, EPR = East Pacific Rise, JdF = Juan de Fuca Ridge, Lau = Valu Fa Ridge in Lau Basin, CRR = Costa Rica Rift.
14
Un échantillonnage continu de la partie
supérieure de la CO est maintenant
disponible…
Basalte à Ol, Cpx, Pl
15
16
17
Dorsales lentes, étude d’une coupe au niveau des failles, exemple
de la zone de fracture Kane …
ZF. K
an
e
Vema
18
Dorsales lentes, étude d’une coupe au niveau des failles, exemple
de la zone de fracture Kane …
ZF. K
an
e
Vema
un fait majeur à l’axe des dorsales lentes :
l’exhumation du manteau
19
Dorsales lentes, étude d’une coupe au niveau des failles, exemple
de la zone de fracture Kane …
20
Dorsales lentes : croûte océanique discontinue,
complexe filonien pas systématique, couche
gabbroïque se résout à de multiples corps intrusifs
km. Le manteau supérieur est lherzolitique.
Définition du Moho sismique problématique .....
21
Production magmatique au niveau des rides
Cause de la fusion, genèse des magmas
Adiabat : chemin PT le long duquel le matériau mantellique remonte sans perdre de chaleur
Diminution de T (1,8°C/kbar) liée essentiellement à l’expansion volumique pendant la
décompression
Dès que la fusion commence, la chute de température devient plus élevée (le liquide a une
plus grande capacité calorifique que le solide)
Température mantellique potentielle = température qu’aurait la portion de manteau s’ il était22
remonté à la surface le long de l’adiabat (subsolidus)
Rides phénomènes passifs : remontée adiabatique
du manteau en réponse à la séparation des plaques
23
• Manteau source : manteau asthénosphérique
24
• Modalités de la fusion
- Fusion partielle des systèmes multiphasés naturels fusion incongruente
Ex : fusion isobare dans le domaine de stabilité du spinelle :
a Cpx+b Opx + c Sp = liquide + d Ol
- Fusion polybare
• Contrôle de la production magmatique au niveau des rides (taux de fusion)?
– Température du manteau (Tp)
– Composition du manteau
– Vitesse d’expansion
25
- Abondance de Al diminue
dans les liquides quand le taux
de fusion F augmente
- Ca augmente quand F
augmente. Donc Ca/Al
augmente graduellement dans
les liquides quand F
augmente, jusqu’à disparition
du Cpx (F> 25%) bon
indicateur du taux de fusion
Al8 : Al2O3 corrigé des effets de la CF (recalculé pour un MgO = 8%)
b : échantillons provenant de segments de ride influencés par un point chaud exclus
(Islande, Galapagos, Açores , Juan de Fuca)
Le taux de fusion augmente quand la vitesse d’accrétion augmente
26
Niu et Hékinian, Nature, 1997
Remontée rapide
: adiabat remonte
plus haut,
s’opposant au
refroidissement
par conduction
Refroidisse
ment
conductif se
prolonge à
de plus
grandes
profondeurs
…
Température initiale de fusion (P0) identique (et donc Tp manteau identique)
sous les rides lentes et rapides.
Le flux de manteau sous l’axe est proportionnel à la vitesse d’expansion.
Intervalle de fusion sera plus important dans le cas des dorsales rapides.
La croûte moyenne doit donc être plus épaisse dans le Pacifique que dans l’Atlantique
27
ou l’océan indien…
Composition des magmas
Diopside
Plan de
saturation en silice
Plan critique de
sous-saturation
en silice
Albite
Néphéline
Enstatite
Forstérite
•Magmas tholéiitiques
•Mg# ~ 60 : légère différenciation
(magmas primitifs: Mg# ~70)
Table 13-2. Average Analyses and CIPW Norms of MORBs
(BVTP Table 1.2.5.2)
Oxide (wt%)
SiO2
TiO2
Al2O3
FeO*
MgO
CaO
Na2O
K2 O
P2O5
Total
Norm
Quartz q
or
ab
an
di
hy
ol
mt
il
ap
All
50.5
1.56
15.3
10.5
7.47
11.5
2.62
0.16
0.13
99.74
MAR
50.7
1.49
15.6
9.85
7.69
11.4
2.66
0.17
0.12
99.68
EPR
50.2
1.77
14.9
11.3
7.10
11.4
2.66
0.16
0.14
99.63
IOR
50.9
1.19
15.2
10.3
7.69
11.8
2.32
0.14
0.10
99.64
0.94
0.95
22.17
29.44
21.62
17.19
0.0
4.44
2.96
0.30
0.76
1.0
22.51
30.13
20.84
17.32
0.0
4.34
2.83
0.28
0.93
0.95
22.51
28.14
22.5
16.53
0.0
4.74
3.36
0.32
1.60
0.83
19.64
30.53
22.38
18.62
0.0
3.90
2.26
0.23
All: Ave of glasses from Atlantic, Pacific and Indian Ocean ridges.
MAR: Ave. of MAR glasses. EPR: Ave. of EPR glasses.
IOR: Ave. of Indian Ocean ridge glasses.
28
Tendances évolutives que l'on
peut expliquer par le fractionnement
d'olivine, de plagioclase et peut-être
de clinopyroxène
Augmentation des teneurs en FeO
lorsque MgO diminue (tendance
évolutive tholéiitique)
Pas de séries (andésites, etc...,
sauf Islande et Galapagos) absence de stockage
lithosphérique, réalimentation
continue en magma primitif
Composition de verres basaltiques de la RMA.
Stakes et al. (1984) J. Geophys. Res., 89, 69957028.
29
Eléments en traces
Spectre de REE, normalisé
aux chondrites : matériau
terrestre primordial
(~ système solaire avant la
différenciation planétaire)
Spectres de REE
appauvris (MORB N)
M ORB
30
LREE
HREE
DREE<<1
DLREE < DHREE
M ORB
tuel
c
a
.
sup
u
a
e
t
Man
SPECTRE Résidu Solide
= MANTEAU SUPERIEUR
FP à grande échelle dans les
temps précoces de
différenciation de la Terre
31
LREE
HREE
•
•
Anti-corrélation entre isotopes
du Sr et ceux du Nd :
alignement mantellique (mantle
aray)
Illustre
le
modèle
d'appauvrissement du manteau
qui conduit à une augmentation
du rapport Sm/Nd et à une
diminution du rapport Rb/Sr.
On peut décrire la composition des
basaltes de rides à partir de deux
pôles
32
87Sr/86Sr
Manteau
appauvri
0,51310
143Nd/144Nd
0,5064
Manteau
primitif
0,51264
Manteau
primitif
0,7048
Croûte
continentale Rapport initial
(Chondrites)
0,51
0,6990
Manteau
appauvri
0,7025
0
4,5
0
4,5
Croûte
continentale
0,72
Temps Ga
Temps Ga
Rb/Sr
Sm/Nd
Croûte
continentale
Manteau
appauvri
Manteau
primitif
Manteau
primitif
Croûte
continentale
4,5
Nd/
144
Rb --->
Nd
143
Nd = (
144
Nd/
147
Nd)0 + (
Sm/
144
λt
Nd) e -1
0
Temps Ga
87
143
Sm --->
143
4,5
0
Temps Ga
147
Manteau
appauvri
87
Sr
33
λt
Sr/ Sr = ( Sr/ Sr)0 + ( Rb/ Sr) e -1
87
86
87
86
87
86
Variation de la profondeur de l'axe
de la ride, du rapport d'éléments
traces La/Sm normalisé à la
composition du manteau primitif et
des rapports isotopiques de Sr et
Nd le long de la ride médioAtlantique Nord.
Zones de fractures en lignes
pointillées : O (Oceanographer), H (Hayes), K
(Kane), 15°20'N, M (Marathon - Mercurius).
34
Croûte épaisse de ~ 25-30 km
avec au moins les 10 km sup
constitués de coulées de laves
Epaisseur crustale en fonction d e
la latitude , d’après une
compilation de données
sismiques acquises en Islande et
en Atlantique Nord (de Foulger &
Anderson, in press).
Epaisseur crustale totale (données
sismiques et de gravimétrie) [Darbyshire35
et al., 2000].
Points chauds, panaches et volcans associés
Magmatisme intraplaque océanique : Magmas des
plateaux océaniques et des îles intra-océaniques
36
Qu’est ce qu’un panache mantellique ?
• Les panaches sont des remontées diapiriques, A L’ETAT SOLIDE,
de manteau profond, relativement peu dense (remonte du fait de sa
flottabilité)
•
Ils se manifestent en surface par des anomalies thermiques
(« points chauds » ) et topographiques (soulèvement de la
lithosphère)
Dans les bassins océaniques, les points chauds sont caractérisés par des
bombements topographiques de 500 à 1000m de haut et de 1000 à 2000 km de
large (e.g. Pacifique Sud 600 m, 2000 km), et très souvent par un flux de chaleur
élevé expression de l’ascension du panache mantellique chaud
37
•
Envisagés par Wilson en
1963, suite à la découverte
d’alignement d’îles dont
l’âge évolue le long de la
chaîne
•
Morgan en 1971, propose
que la fusion de la tête des
panaches produise trapps
et plateaux océaniques, la
fusion de la queue des
panaches produirait les
chaînes volcaniques
38
39
40
41
42
Observation
de
l’extension
des
épanchements des basaltes de trapps
la tête d’un panache peut atteindre des
diamètres de 500 à 3000 km (Hill et al.,
1992).
diamètre de la queue des panaches de
l’ordre de 100-200 km.
Résultats d’expériences analogiques de dynamique de
fluides
D’après Griffiths and Campbell, 1990
Tête et queue de panache A) à mi-parcours de l’ascension
et B) aplatissement de la tête en fin de remontée
D’après Griffiths and Campbell, 1990
43
Parana, Etendeka, 120 Ma
2000*2000 km
Précurseurs de l'ouverture de
l'Atlantique Sud
44
Cause de la fusion …
45
Plateaux océaniques
Trapps et plateaux océaniques In Winter, 2001
46
Surface
(km2)
2.106
Volume
(km3)
36.106
Age (Ma)
Kerguelen
2.106
20.106
110-114
Caraïbe
800
Ontong
Java
000
121-124
107-111
(avant
sa
dispersion)
Manihiki
650 000
107-111
Nauru
360 000
127-131
• Reliefs qui dominent les
plaines abyssales de 2500 à
3000 m
• Sont apparus à proximité
d’une dorsale active (faible
contraste d’âge avec
substratum)
• Sismique: épaisseurs
crustales > 20 km
• Formation très rapide (en
quelques Ma ) au
Crétacé Inférieur
• Certains plateaux ont été le siège d'une activité volcanique plus tardive, peutêtre de type point chaud ; elle a duré jusqu'à 90 Ma au niveau d'Ontong Java et
du plateau Caraïbe, 75 Ma à Nauru, et jusqu'au IV aux Kerguelen.
47
Basaltes tholéiitiques ; faciès
picritiques fréquents
Laves à spectres appauvris, plats
ou enrichis
En général : enrichissement
relatif en Rb, Ba, K, Th, LREE
Rapports 87Sr/86Sr élevés
F et T élevés, signature hétérogène
origine liée à des panaches
profonds…
48
Îles océaniques
49
Les archipels de Polynésie Française
•
•
Pacifique Sud : activité volcanique ininterrompue depuis 40 Ma
CO Crétacé Sup-Oligocène; Le plancher présente un vaste bombement causé par
la poussée d'un superpanache ancré profondément dans le manteau terrestre.
50
Composition des OIB
51
D’après Wilson (1989) Igneous Petrogenesis.
Composition des OIB
160°W
158
22°N
154
80 km
Kauai
Niihau
156
Ki
N
Oahu
W
WM
Ku
21°
EM
WI
Molokai
Maui
Lanai
Volcan
20°
19°
18°
Niihau (N)
Kauai (Ki)
Waianae (W)
Koolau (Ku)
W Molokai (WM)
E Molokai (EM)
W Maui (WI)
Lanai (L)
Haleakala (Ha)
Kahoolawe (K)
Mahukona (M)
Kohala (Ko)
Hualalai (H)
Mauna Kea (MK)
Mauna Loa (ML)
Kilauea (KI)
Loihi (Lo)
Age (Ma)
5,6
5,25
4,0
2,8
2,1
1,9
1,8
1,6
1,4
1,1
0,8
0,75
0,65
0,4
0,25
0
Kahoolawe
Ha
K
Ko
M
Hawaï
Keikikea
MK
H
ML
KI
?
Ke
Lo
Age : Début de l’édification du bouclier
Keikikea (Ke), supposé émerger dans le futur
52
Composition des OIB
-
-
-
Séries tholéiitiques
(dominantes) et alcalines. Les
termes basaltiques
prédominent.
Les roches tholéiitiques
constituent le "stade bouclier";
les termes alcalins : premiers
stades ou stades tardifs du
développement des volcans
- Parfois roches très soussaturées en SiO2, saturées en
néphéline : néphélinites,
souvent très tardives.
Basalte alcalin : [Ne] < 5%
53
Basanite : [Ne] > 5%, feldspathoïdes exprimés
Néphélinite : [Ne] > 5% et [Lc] ,feldspathoïdes exprimés
54
Hawaii : Les laves des
stades précoces, boucliers et
tardifs n'ont pas la même
composition isotopique
Stade pré-bouclier : Faible
taux de fusion de manteau
asthénosphérique appauvri
entraîné par le panache
ascendant.
Tholéiites des stades
boucliers : fort taux de fusion
d'un manteau enrichi,
mélangé à du manteau
lithosphérique appauvri
Magmas alcalins des stades
tardifs : faible taux de fusion
d'un manteau appauvri, peutêtre manteau lithosphérique
métasomatisé
55
56
Evolution temporelle du magmatisme
• Racines profondes des volcans ne sont pas exposées →
composition des premiers magmas émis mal connue
Etude des édifices récents (par exemple Mehetia, Société; Loihi,
Hawaï) : suggère que les premiers stades pré-boucliers sont
marqués par l'émission de basaltes alcalins
• Phase ultérieure : croissance très rapide, d'abord sous-marine
puis aérienne du bouclier volcanique (vitesse de croissance
moyenne : 1 cm/an) → basaltes tholéiitiques
• Phase post-bouclier (après caldeira souvent) : déclin de
l'activité volcanique (1mm/an) , activité épisodique, violente →
magmatisme alcalin
57
Un modèle ….
Au centre du panache,
taux de fusion élevés
(tholéiites).
F diminue vers la
périphérie production
de basaltes alcalins, puis
néphélinites.
Wylllie, 1988
58
Canaries : lithosphère
épaisse, faible
décompression du panache,
faible taux de fusion. Les
tholéiites sont rares
Islande : lithosphère très
mince, taux de fusion du
panache important,
beaucoup de tholéiites
59
Mais....
• Pas de tholéiites dans l'archipel
de la Société, même au niveau
des grands boucliers (Tahiti Nui,
Raiatea)
• Pitcairn exclusivement alcalin et
Gambier, exclusivement
tholéiitique
• Atolls de Mururoa et Fangatofa :
respectivement alcalin et
tholéiitique + alcalin
• Hawaï et Réunion : surtout tholéiitique
• Canaries, Açores, Ascension, Tristan Da Cunha, Gough : surtout alcalin
60
61
Chondrites
62
Compositions isotopiques des magmas des îles intra-océaniques- Les
pôles mantelliques
Société
Les isotopes de Sr, Nd et Pb
indiquent que ces magmas
dérivent de quatre pôles
mantelliques (au moins) :
Marquises
-
EM II
0,707
87
86
Sr/
Sr
0,706
0,705
Rarotonga
EM I
Rapa
0,704
0,703
HIMU
Pitcairn
EPR
0,702
16
Rurutu Tubuai
DMM
17
18
19
20
206
204
Pb/
Pb
21
Mangaia
22
DMM : manteau appauvri
identique à celui qui constitue
la source des MORB ;
- EM I : manteau enrichi ayant
assimilé
des
sédiments
pélagiques;
- EM II : manteau enrichi ayant
assimilé
des
sédiments
détritiques ;
- HIMU : manteau ayant assimilé
de la croûte océanique
fortement hydrothermalisée.
Ces
assimilations
anciennes (1 à 2 Ga).
sont
63
Origine des panaches ?
64
Identification des "deep
plumes" , selon Courtillot et
al. 2003
5 critères :
1-Alignement de volcans
avec progression des âges
2- Trapps en début de
fonctionnement
3- Flux de matière élevé (>
103 kg.s-1) → implique une
anomalie topo, un
bombement
4 - 3He/4He élevé
5 - Faibles vitesses des
ondes S au niveau de la
zone de transition (500
km), sous la surface
65
Modèle tomographique Vs de Ritsema et al, 1999
66
Bijwaard et Spakman, 1999, LVA
jusqu’à CMB
Anomalie de vitesse identifiée jusqu'à 670 km
67
Foulger et al., 2004
Islande et la province
N Atlantique se sont
formées au niveau de
la suture Calédonienne
(fermeture Iapetus, 400
Ma)
Cf : http://www.mantleplumes.org
Bathymetry of the north Atlantic region. The thick lines indicate faults of the Caledonian suture (Soper
et al. 1992). The thick dashed line indicates the inferred overall trend of the suture where it crosses
the Atlantic ocean (Bott 1987). Circles indicate the hypothesized locations of an Icelandic mantle
68
plume at the times indicated, which are in millions of years (Lawver and Muller 1994).
Tomographie sismique : désaccords, suite….
Iceland
Hawaii
Tahiti/Cook
300
650
1000
1450
1900
2350
2800
69
Montelli et al., 2004
Ritsema and Allen, 2002
70
Panache provenant du manteau
inférieur (D'')
Afar
Bowie
Hawaii
Iceland
Reunion
Tristan
Louisville
Samoa
Tahiti
Ascension
Azores
Canary
Easter
Yellowstone
Ritsema and Allen, 2002
RA2002
M2004
oui
oui
oui
oui
non
non
oui
oui
non
non
non
non
oui
non
non
non
non
non
non
non
non
non
oui
oui
oui
oui
oui
non
71
Les panaches pourraient avoir trois origines distinctes :
(a) Panaches primaires,
provenant du manteau inférieur
(D’’)
(b) Panaches secondaires,
prenant naissance au sommet
des superbombements
(superswells)
(c) Panaches prenant
naissance dans le manteau
supérieur (‘’andersonien ’’)
72
Mobilité des points chauds ?
•
Points chauds fixes…
•
John Tarduno et son équipe
estiment
(arguments
chronologiques
et
paléomagnétiques ) qu’il existe
une dérive propre du point
chaud de Hawaï dans le sens
opposé au mouvement de la
plaque Pacifique…
73
Conclusion
Croûte continentale
Iles océaniques
Genèse
des MORB
DMM
Sédiments déshydratés
Croûte océanique
déshydratée
74